Um tempo de transição e potencial para energia de fusão

Durante séculos, os humanos sonharam aproveitando o poder do sol para energizar nossas vidas aqui na Terra. Mas queremos ir além da coleta de energia solar, e um dia gerar a nossa própria de um mini-sol. Se formos capazes de resolver um conjunto extremamente complexo de problemas científicos e de engenharia, a energia de fusão promete fonte de energia verde, segura e ilimitada. De apenas um quilo de deutério extraído da água por dia poderia vir eletricidade suficiente para abastecer centenas de milhares de casas.

Desde os 1950s, a pesquisa científica e de engenharia tem gerou enorme progresso para forçar átomos de hidrogênio a se fundirem em uma reação auto-sustentável - bem como quantidade pequena mas demonstrável de energia de fusão. Céticos e proponentes observe os dois desafios restantes mais importantes: manter as reações por longos períodos de tempo e criar uma estrutura material para aproveitar a energia de fusão para a eletricidade.

Como pesquisadores de fusão no Laboratório de Física de Plasma de PrincetonSabemos que, realisticamente, a primeira usina de fusão comercial ainda está a pelo menos 25 anos de distância. Mas o potencial de seus enormes benefícios chegarem na segunda metade deste século significa que devemos continuar trabalhando. Grandes demonstrações da viabilidade da fusão podem ser realizadas mais cedo - e devem, para que o poder de fusão possa ser incorporado ao planejamento de nosso futuro energético.

Ao contrário de outras formas de geração elétrica, como a solar, o gás natural e a fissão nuclear, a fusão não pode ser desenvolvida em miniatura e depois ser simplesmente ampliada. As etapas experimentais são grandes e demoram para serem construídas. Mas o problema da energia abundante e limpa será um grande chamado para a humanidade para o próximo século e além. Seria imprudente não explorar totalmente essa fonte de energia mais promissora.

Por que poder de fusão?

Em fusão, dois núcleos do átomo de hidrogênio (isótopos de deutério e trítio) fundir junto. Isso é relativamente difícil de fazer: ambos os núcleos são carregados positivamente e, portanto, se repelem. Somente se eles estiverem se movendo extremamente rápido quando colidirem, eles se misturarão, se fundirão e, assim, liberarão a energia que estamos buscando.


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Isso acontece naturalmente no sol. Aqui na Terra, usamos imãs poderosos para conter um gás extremamente quente de elétrons e núcleos de deutério e trítio eletricamente carregados. Esse gás quente e carregado é chamado de plasma.

O plasma é tão quente - mais de 100 milhões de graus Celsius - que os núcleos positivamente carregados se movem rápido o suficiente para superar sua repulsão elétrica e se fundir. Quando os núcleos se fundem, formam duas partículas energéticas - uma partícula alfa (o núcleo do átomo de hélio) e um nêutron.

Aquecer o plasma a uma temperatura tão alta requer uma grande quantidade de energia - que deve ser colocada no reator antes que a fusão possa começar. Mas uma vez que isso aconteça, a fusão tem o potencial de gerar energia suficiente para manter seu próprio calor, o que nos permite extrair o excesso de calor para transformar em eletricidade utilizável.

O combustível para o poder de fusão é abundante na natureza. Deutério é abundante em água, e o reator em si pode faça o trítio do lítio. E está disponível para todas as nações, principalmente independente dos recursos naturais locais.

O poder de fusão está limpo. Não emite gases de efeito estufa e produz apenas hélio e um nêutron.

É seguro. Há sim nenhuma possibilidade de uma reação descontroladacomo um "colapso" de fusão nuclear. Em vez disso, se houver algum mau funcionamento, o plasma esfria e as reações de fusão cessam.

Todos esses atributos motivaram a pesquisa por décadas e se tornaram ainda mais atraentes ao longo do tempo. Mas os aspectos positivos são correspondidos pelo desafio científico significativo da fusão.

Progresso até a data

O progresso na fusão pode ser medido de duas maneiras. O primeiro é o tremendo avanço na compreensão básica de plasmas de alta temperatura. Os cientistas tiveram que desenvolver um novo campo da física - Física de plasma - conceber métodos para confinar o plasma em campos magnéticos fortes, e depois evoluir as habilidades para aquecer, estabilizar, controlar a turbulência e medir as propriedades do plasma superquente.

A tecnologia relacionada também progrediu enormemente. Nós temos empurrou as fronteiras em ímãsfontes de ondas eletromagnéticas e feixes de partículas conter e aquecer o plasma. Nós também desenvolvemos técnicas para que materiais podem suportar o calor intenso do plasma em experimentos atuais.

É fácil transmitir as métricas práticas que acompanham a marcha da fusão até a comercialização. O principal deles é o poder de fusão que foi gerado no laboratório: a geração de energia Fusion escalou de miliwatts por microssegundos nos 1970s para 10 megawatts de energia de fusão (no Princeton Plasma Physics Laboratory) e 16 megawatts por um segundo (no Joint European Torus na Inglaterra) no 1990s.

Um novo capítulo na pesquisa

Agora, a comunidade científica internacional está trabalhando em unidade para construir um grande centro de pesquisa em fusão na França. Chamado ITER (Latim para "o caminho"), esta usina irá gerar cerca de oito megawatts de energia de fusão térmica por cerca de oito minutos de cada vez. Se este poder fosse convertido em eletricidade, ele poderia alimentar as casas 500. Como um experimento, ele nos permitirá testar as principais questões de ciência e engenharia na preparação de usinas de fusão que funcionarão continuamente.

O ITER emprega o design conhecido como “tokamak”, Originalmente um acrônimo russo. Envolve um plasma em forma de anel, confinado em um campo magnético muito forte, que é parcialmente criado pela corrente elétrica que flui no próprio plasma.

Embora seja concebido como um projecto de investigação e não pretende ser um produtor líquido de energia eléctrica, o ITER produzirá mais energia de fusão 10 do que os megawatts 50 necessários para aquecer o plasma. Este é um grande passo científico, criando o primeiro “plasma ardente”, Em que a maior parte da energia usada para aquecer o plasma vem da própria reação de fusão.

O ITER é suportado por governos que representam metade da população do mundoChina, União Européia, Índia, Japão, Rússia, Coréia do Sul e EUA. É uma forte declaração internacional sobre a necessidade e a promessa da energia de fusão.

O caminho para a frente

A partir daqui, o caminho restante para a energia de fusão tem dois componentes. Primeiro, precisamos continuar pesquisando sobre o tokamak. Isso significa avançar a física e a engenharia para que possamos manter o plasma em um estado estacionário por meses a fio. Nós precisaremos desenvolver materiais que possam suportar uma quantidade de calor igual a um quinto do fluxo de calor na superfície do sol por longos períodos. E precisamos desenvolver materiais que cubram o núcleo do reator para absorver os nêutrons e criar trítio.

O segundo componente no caminho para a fusão é desenvolver idéias que melhorem a atratividade da fusão. Quatro dessas ideias são:

1) Usando computadores, otimize os projetos de reatores de fusão dentro das restrições de física e engenharia. Além do que os humanos podem calcular, esses designs otimizados produzem formas de rosca torcida que são altamente estáveis ​​e podem operar automaticamente por meses a fio. Eles são chamados de "stellarators" no negócio de fusão.

2) Desenvolvimento de novos ímãs supercondutores de alta temperatura que podem ser mais fortes e menores do que melhor de hoje. Isso nos permitirá construir reatores de fusão menores e provavelmente mais baratos.

3) Usando metal líquido, em vez de um sólido, como o material que envolve o plasma. Metais líquidos não se quebram, oferecendo uma possível solução para o imenso desafio de como um material circundante pode se comportar quando entra em contato com o plasma.

4) Sistemas de construção que contêm plasmas em forma de anel com sem buraco no centro, formando um plasma em forma quase como uma esfera. Algumas dessas abordagens também podem funcionar com um campo magnético mais fraco. Estes “Tori compacto”E abordagens de“ campo baixo ”também oferecem a possibilidade de tamanho e custo reduzidos.

Programas de pesquisa patrocinados pelo governo em todo o mundo estão trabalhando os elementos de ambos os componentes - e resultarão em descobertas que beneficiam todas as abordagens para a energia de fusão (assim como nossa compreensão de plasmas no cosmos e na indústria). No passado 10 para 15 anos, empresas privadas também se juntaram ao esforço, particularmente em busca de toros compactos e avanços de baixo campo. O progresso está chegando e trará energia abundante, limpa e segura com ele.

A Conversação

Sobre o autor

Stewart Prager, Professor de Ciência Astrofísica, ex-diretor do Laboratório de Física de Plasma de Princeton, Princeton University e Michael C. Zarnstorff, Diretor Adjunto de Pesquisa, Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University

Este artigo foi originalmente publicado em A Conversação. Leia o artigo original.

[Nota do Editor: Aqui está uma mensagem de advertência relativo à energia de fusão.]

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